汽车后桥准双曲面齿轮搅油损失数值模拟及其减阻研究

摘要：整车经济性是商用车产品竞争力的重要评价指标，后桥传递效率是整车经济性的重要影响因素之一。机械损失和液力损失同时影响车后桥传递效率，且在高速低扭矩工况下液力损失影响更加明显。因此改善液力损失可有效提升车后桥传递效率，提高经济性。基于此，以下对汽车后桥准双曲面齿轮搅油损失数值模拟及其减阻进行了探讨，以供参考。

关键词：汽车后桥准双曲面齿;轮搅油损失数值模拟;减阻研究

引言

经济社会的快速发展为人们追求更高生活品质提供了物质保障，使得全球汽车保有量不断增加。汽车在给人们生活带来便利的同时，也对环境保护和能源利用造成了巨大压力。因此，开展提高汽车传动系统的机械传动效率、减少燃油消耗、降低有害气体排放的研究工作具有重要的工程及环保价值。

1计算流体力学模型建立

主要采用计算流体力学的方法对优化前后汽车后桥准双曲面齿轮搅油机理及阻力进行理论分析。前期研究成果已证明了该技术在分析汽车后桥准双曲面齿轮搅油功率损失时的高可靠性。其中，准双曲面齿轮浸油深度50mm。由于后桥总成零件数量多，结构复杂，将几何模型进行了一定简化，忽略后桥结构中与润滑油无直接关联的零件，如半轴、轴承、挡板、轴承座等，去除与搅油损失影响不大的倒角及一些微小结构。抽取后桥内腔与研究对象作布尔运算，得到流体仿真的流体域模型，包括准双曲面齿轮、差速器壳、螺栓、后桥内腔。

2汽车后桥准双曲面齿轮搅油损失数值模拟及其减阻研究

2.1结构改进

准双曲面齿轮轮齿搅油功率损失属齿轮固有特性，不宜更改齿轮结构以减弱轮齿搅油阻力。基于边界层理论对圆盘搅油阻力进行了分析，研究表明，当旋转圆盘与固定法兰间间隙小于0.2R时，圆盘所受的液体阻力矩小于大间隙圆盘。因此，采用增加固定挡油板结构对准双曲面齿轮齿面、法兰面搅油功率损失进行了进一步优化。准双曲面齿轮位于挡油板中间，挡油板与被动准双曲面齿轮两侧间隙相等，取0.2倍被动齿轮分度圆半径值，即为18mm。挡油板下部开有矩形沟槽，用于联通挡油板两侧不同区域润滑油以保证散热。

2.2网格划分及空间离散

利用HyperMesh13.0建立网格模型。由于后桥被动锥齿轮结构复杂且存在动网格边界，为了使网格更适应模型，采用非结构四面体网格单元，并在被动锥齿轮及差速器壳处进行网格局部细化，流体域初始网格单元总数为1366404。为定义边界条件，需对网格模型边界进行分组。采用PISO算法求解连续性方程和动量方程中的压力与速度耦合;空间离散中的压力采用PRESTO！格式离散，其余扩散相采用二阶迎风格式离散;在时间上采用一阶隐式格式。

2.3对比分析

为验证改进前后准双曲面齿轮的减阻效果，对改进前后准双曲面齿轮搅油阻力进行了分析。改进前后准双曲面齿轮搅油阻力矩数值计算结果。在不同工况下改进后准双曲面齿轮均具有较小的搅油阻力矩。不失一般性，文中对转速为887r/min工况下改进前后准双曲面齿轮两侧流场特性进行了分析，探究阻力矩减少机理。

2.4后桥内部流场分布

后桥润滑油因其黏性作用而被后桥被动锥齿轮旋转带起飞溅，从而完成对齿轮、轴承的润滑、冷却，其分布随时间呈现不同的规律。被动锥齿轮以133rpm顺时针旋转时，不同时刻（t=0.1s、0.2s、0.3s、0.4s）后桥内部润滑油分布规律。由图可知，t=0.1s时，被齿约转过90°，带动部分润滑油吸附在被齿表面并沿壁面流动;t=0.2s时，被齿约转过180°，更多的润滑油被带起并开始沿壁面流到后桥顶部，且齿面分布着较多润滑油;t=0.4s时，被齿约转过360°，越来越多流动至后桥顶部及分布在齒面的润滑油在重力作用下，向后桥两侧流动并逐渐滴落回底部油池，从而对主被动齿轮、差速器齿轮及主减支撑轴承进行润滑及冷却，随着时间推移，最终达到一个动态相对稳定的状态。

2.5差动齿轮搅油损失理论分析

齿轮搅油损失全称为齿轮搅油功率损失，也称为无负荷损失、空转损失。搅油损失量的大小一般与润滑油的黏度、油液温度及齿轮的转速有关。工程上对于搅油损失的计算大多数依赖于实验经验公式。

2.6液体粒子参数设置

在物理模型中生成液体粒子，需要确定液体生成起始面、粒子大小、液体密度和张力等参数。该实验条件下液体生成起始面相对箱体底面的高度为77mm，为保证液体粒子顺利生成，液体重心不应与齿轮等固体模型重合，即液体中心在Y轴方向移动一定距离。其次，为保证仿真结果的有效性与观测良好性，需要确定粒子生成数目应在100万～150万之间。因此在一定空间的箱体内确保粒子生成数目，则需要相应改变粒子体积，确定粒子半径为0.7～0.8mm之间。

2.7注油量影响台架验证

后桥传递效率在齿轮机械传动效率之外（主要零部件的设计制造决定），对搅油损失影响最大，注油量和流场是搅油损失的主要影响因素。而注油量的影响仿真不易看出，故首先选取台架试验研究注油量对搅油损失的影响。试验设置在90±10℃环境下进行，输入转速设置为中等偏高转速1400r/min，对比在不同载荷下注油量为11.5L和14L车桥的传递效率。在加注量为11.5L和14L时，随着输出功率的不断升高传递效率的提高逐步减缓，而注油量为11.5L的传递效率整体大于14L时的传递效率。且当功率输出为100%时，两者接近相等。因此总体观察可发现后桥的传递效率的变化并不明显。因此注油量对搅油损失大小的影响可以忽视。

结束语

去除螺栓结构和增加挡油板可显著降低准双曲面齿轮所受的最大动压力，减小的幅度随着转速的增加而急剧增大，最高达54%;同时，流体最大速度均有所降低，最高可降低6%左右;改进结构可在较宽转速范围内显著降低准双曲面齿轮搅油阻力矩，且随着转速升高减阻效果越明显，最高减阻可达35.9%。

参考文献：

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作者简介：杨贤平，出生年 1982年，性别 男，民族 汉，籍贯 皖宿松，职称 工程师，作者单位 合肥美桥汽车传动及底盘系统有限公司，邮编 230051，学历 本科，研究方向 试验验证。